基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法技术

本发明专利技术属于计算材料领域，提出了一种基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法，采用了小尺寸系统进行计算，相对于大尺寸系统，可以显著减少计算量。此外，采用on

【技术实现步骤摘要】
基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法


[0001]本专利技术属于计算材料领域，具体涉及一种基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法。

技术介绍

[0002]对材料熔点的理论预测由来已久，在过去的二十年里，随着计算能力的提高，基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理分子动力学(AIMD)模拟成为准确和普遍模拟方法，但基于DFT的熔点预测仍然相当具有挑战性的，因为受限于计算精度和时间的限制。目前常用于熔点计算的方法，例如，基于自由能的方法[ellers Michael S,L
í
sal Martin,Brennan John K.Free
‑
energy calculations using classical molecular simulation:application to the determination of the melting point and chemical potential of a flexible RDX model]，熔点位于固体和液体自由能曲线的交点处，这种方法对吉布斯自由能计算精度要求很高，因为固液自由能曲线间的夹角很小，自由能计算的微小误差都会引起熔化温度的巨大误差；另一种主流方法，即固液共存法[Alf
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Dario.Temperature of the inner
‑
core boundary of the Earth:Melting of iron at high pressure from first
‑
principles coexistence simulations]，熔点是通过使用AIMD的NVE系综模拟固液共存系统稳定时的温度确定的。由于固相和液相之间存在固液界面，系统保持稳定需要很大的晶胞(通常至少1000原子)，并且经过长时间模拟(通常至少20ps以上)才能获取结果。

技术实现思路

[0003]针对上述现有模拟方法的不足，提出一种基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法，以解决计算熔点时间过长，成本太高问题。我们减小模拟系统尺寸，建立小尺寸的固液共存系统(200原子左右)，在计算AIMD过程中使用机器学习力场，结合贝叶斯方法处理结果，以实现减小计算成本目的。
[0004]本专利技术的技术方案：
[0005]一种基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法，步骤如下：
[0006]S1、对初始单胞结构优化，并建立超胞；
[0007]单胞结构从开源材料数据库Materals Project下载或根据Perason's Handbook手动搭建；采用基于DFT的(Vienna Ab
‑
initio Simulation Package)VASP软件对单胞结构进行第一性计算，获得优化后的单胞结构后再制备超胞结构，超胞边长大于
[0008]S2、计算估计熔点温度下的热膨胀；
[0009]使用NPT系综超胞放至实验温度或各组元平均温度弛豫10ps，将最终500～1000个构型的平均晶格常数作为热膨胀后的晶格常数；然后在相同温度下使用NVT系综弛豫5ps，使体系达到平衡；在第一性原理分子动力学(ab initio molecular dynamics,AIMD)计算过程中，若尺寸超过100个原子，使用Gamma参数来选择k网格点，布里渊区选取1
×1×
1的网格点；
[0010]S3、将热膨胀后的超胞沿Z方向扩胞，固定一半原子，在估计熔点温度以上1000K加热另一半超胞10ps，使其完全熔化，然后在相同温度继续弛豫4ps，每1ps取一个固
‑
液共存构型，共取4个固
‑
液共存构型为下一步弛豫做准备；
[0011]S4、将4个固
‑
液共存构型都分别放到估计熔点温度范围(T
m
‑
200 K)～
[0012](T
m
+200K)下弛豫10～20ps，然后分析10～20ps范围内的固液分布结果；采用Steinhardt键序参数判断弛豫后的固液中固体原子数，方法如下：给定一个中心原子，把它的近邻键投影到一个单位球体上；基于这些投影矢量，定义一组局部的键序参数，粒子i周围结构的键序参数定义为：
[0013][0014]其中，Y
lm
是球面谐波，N(i)是粒子i的近邻原子数，是连接粒子i和j的向量，l和m都是整数，m取值在
‑
l到+l之间；公式(1)中定义的q
lm
(i)取值会受到坐标系的选择，一个不受坐标系选取变化的键序参数定义为：
[0015][0016]这个键序参数是对粒子i周围的局部秩序的一种量化；其中q6参数用于识别晶体结构、区分固体和液体原子；对于两个相邻的原子i和j，如果参数：
[0017][0018]就认为两个原子是“相连”的；式中：s
ij
为i和j两个原子结构之间的相关性的标量积；threshold为阈值，取为0.5；
[0019]Bokeloh提出用二阶键序参数来区分固液原子，这个参数由s
ij
的平均值定义如下：
[0020]<s
ij
>>average threshold
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]式中：<s
ij
>为s
ij
的平均值；如果一个原子Steinhardt键序参数同时满足公式(3)和(4)，那么就判定该原子为固体原子，反之为液体原子；average threshold取值需要根据固液共存构型校正，对于固液共存构型来说，由于固定一半固体原子，加热熔化另一半固体原子，使其为液态，所以固液共存构型中的固体原子数为50％，计算时需校正average threshold参数以保证固体原子数占比；如果体系内的液体原子数占总原子数的80％时，即认为该构型为液体状态，反之为固体状态；最后利用贝叶斯方法处理固液状态统计数据，这种方法不仅给出了点估计，而且对估计的不确定性进行统计推断；以此得到不同温度下液态构型的概率曲线，概率为50％所对应的温度为熔点。
[0022]与现有的技术相比，本专利技术的有益效果：
[0023]本专利技术通过一种基于第一性原理分子动力学(AIMD)采用小尺寸固液共存构型系统(200个原子左右)计算熔点的方法，并在计算时结合机器学习力场，可以显著减少计算量。采用键序参数判断固液状态,再结合贝叶斯方法处理固液分布数据，可以得到熔化概率随温度变化的曲线。
附图说明
[0024]图1是共存相的模拟计算熔点的算法示意图；
[0025]以纯铝的熔点计算为例，首先对铝初始单胞结构优化，采用3
×本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于第一性原理分子动力学和贝叶斯统计的熔点计算方法，其特征在于，步骤如下：S1、对初始单胞结构优化，并建立超胞；单胞结构从开源材料数据库Materals Project下载或根据Perason's Handbook手动搭建；采用基于DFT的VASP软件对单胞结构进行第一性计算，获得优化后的单胞结构后再制备超胞结构，超胞边长大于S2、计算估计熔点温度下的热膨胀；使用NPT系综超胞放至实验温度或各组元平均温度弛豫10ps，将最终500～1000个构型的平均晶格常数作为热膨胀后的晶格常数；然后在相同温度下使用NVT系综弛豫5ps，使体系达到平衡；在第一性原理分子动力学计算过程中，若尺寸超过100个原子，使用Gamma参数来选择k网格点，布里渊区选取1
×1×
1的网格点；S3、将热膨胀后的超胞沿Z方向扩胞，固定一半原子，在估计熔点温度以上1000K加热另一半超胞10ps，使其完全熔化，然后在相同温度继续弛豫4ps，每1ps取一个固
‑
液共存构型，共取4个固
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液共存构型为下一步弛豫做准备；S4、将4个固
‑
液共存构型都分别放到估计熔点温度范围(T
m
‑
200 K)～(T
m
+200K)下弛豫10～20ps，然后分析10～20ps范围内的固液分布结果；采用Steinhardt键序参数判断弛豫后的固液中固体原子数，方法如下：给定一个中心原子，把它的近邻键投影到一个单位球体上；基于这些投影矢量，定义一组局部的键序参数，粒子i周围结构的键序参数定义为：其中，Y
lm
是球面谐波，N(i)是粒子i的近邻原子数，是连接粒子i和j的向量，l和m都...

【专利技术属性】
技术研发人员：李震，张琦祥，苑峻豪，王清，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：